可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置及方法

本发明涉及表面工程领域中一种材料表面改性的装置，具体涉及到一种利用冷喷涂技术将粉末颗粒通过弹性装置弹射后沉积到微内孔内壁以制备涂层的装置及方法。

背景技术：

冷喷涂技术是利用高压气体驱动粉末颗粒，经拉瓦尔喷嘴的会聚和发散后形成超音速双相流，当粉末的速度达到或超过某一“临界速度”后，喷涂粉末经过较大的塑性变形沉积于基体表面，逐步形成涂层。由于不使用高温热源，冷喷涂可以极大程度降低传统热喷涂中热敏感因素的影响，如氧化、相变、残余应力和晶粒长大等，从而使得传统的热喷涂技术难制备的氧敏感涂层、热敏感涂层、纳米材料涂层及非晶涂层成为可能。

冷喷涂涂层可以有效防止高温、侵蚀、氧化以及化学腐蚀，目前在航空航天、汽车、能源、医疗、海洋等领域有着广泛的应用。对于易磨损或腐蚀而失效的内孔零部件，可采用冷喷涂技术在内孔表面喷涂涂层，以涂层的磨损来替代内孔表面的磨损并将表面与外界环境隔绝防止腐蚀，从而提高使用寿命。除此之外，也可以对损伤的工件内孔进行修复和再制造，使其重新达到服役要求。

目前，内孔冷喷涂设备主要是将冷喷涂喷嘴伸入工件内孔，通过工件的旋转来实现涂层沉积。由于喷嘴形状、喷涂距离以及喷涂速度的限制，内孔冷喷涂设备最小可完成直径为80mm的内孔喷涂作业。对于喷涂尺寸更小的内孔，往往需要更加优秀的制造工艺来缩减喷枪的尺寸，不利于降低装置的成本而且可喷涂的最小孔径提升幅度也较为有限。因此，设计一种简易的、制造成本低的、能够喷涂微内孔的冷喷涂装置非常有意义。

技术实现要素：

针对目前冷喷涂技术在微内孔表面制备涂层中存在的问题：内孔喷涂装置无法对微内孔进行喷涂，且涂层的后处理较为困难及喷涂装置中喷嘴形状受限。本发明提供了一种可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置，通过设计弹性装置、改变喷涂装置等方式从而解决了上述问题。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置，包括冷喷涂装置、弹性装置、磨削装置和固定夹紧装置；所述冷喷涂装置将涂料喷涂到弹性装置上，弹性装置将涂料弹射到工件内壁上，其中，工件通过固定夹紧装置夹持，弹性装置下方同轴设置有磨削装置，磨削装置用来对喷涂后的工件内壁进行磨削处理。

进一步的，所述弹性装置包括弹性片、转轴、铰链机构和第二气动伸缩装置；所述转轴上铰接安装有数片所述弹性片；所述弹性片中间段上安装有铰链机构，铰链机构可通过第二气动伸缩装置驱动从而带动弹性片绕转轴转动。

进一步的，所述弹性装置还包括硬质层，转轴安装在硬质层内部；所述弹性装置撑开后为伞状结构；弹性装置设置在第二升降旋转装置上。

进一步的，所述第二气动伸缩装置通过驱动铰链机构来实现弹性片相对中心轴角度α变换；角度α的范围为30～60°，当α为60°时，数个弹性片组成一个完整圆锥体结构。

进一步的，所述冷喷涂装置包括储气罐、气体控制器、送粉器、管路、气体加热器和冷喷涂喷枪；所述储气罐通过管道经气体控制器处进入气体加热器加热后与送粉器中的粉末汇合后通过管道被冷喷涂喷枪喷出到弹性装置上；所述冷喷涂喷枪设置在第一升降装置上。

进一步的，所述储气罐释放出的气体气压为1.5～3.5mpa；所述送粉器中加入的粉末颗粒粒径为d，d＝15～50μm，适用的微内孔内径范围为10d～20d；送粉速率为50～250g/min；所述气体加热器预热温度为300～800℃；颗粒经所述冷喷涂喷枪加速后速度为300～1500m/s。

进一步的，所述磨削装置包括4块1/4磨削砂轮和第一气动伸缩装置；4块所述1/4磨削砂轮可组成空心圆柱结构，且1/4磨削砂轮均可通过第一气动伸缩装置驱动从而改变1/4磨削砂轮组成的空心圆柱结构的直径。

进一步的，所述的固定夹紧装置包括拉杆、弹簧、夹具、支撑架和支撑平面；所述拉杆均匀设置在可旋转圆柱体上，拉杆上伸出可旋转圆柱体端套装有弹簧，且拉杆末端滑动安装有夹具，通过夹具压缩弹簧可实现对不同尺寸的工件的夹紧。

进一步的，电机可带动安装在工作台上的第二升降旋转装置工作，第二升降旋转装置输出末段依次安装有磨削装置和弹性装置；第二升降旋转装置输出中间段安装有齿轮组，齿轮组可带动可旋转圆柱体沿圆环导轨旋转；通过第二升降旋转装置工作，可实现磨削装置、弹性装置和工件同轴旋转。

可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置的工作方法，包括如下步骤：

步骤一：拉动拉杆使弹簧收缩，将工件放置在可旋转圆柱体内的支撑平面上；放松拉杆，利用弹簧弹力使夹具内壁紧贴工件外壁，实现工件的固定夹紧；由中央控制系统通过控制第一升降装置和第二升降旋转装置使冷喷涂喷枪与弹性装置的距离为20～30mm且在作业时保持这个距离；初始位置时弹性装置顶点与工件下端水平，终止位置时磨削砂轮下端与工件上端水平；

步骤二：喷涂前，根据需要通过中央控制系统调节参数；根据喷涂颗粒形状调节弹性装置展角；根据工件孔径和涂层厚度调节磨削装置半径；由气体控制器调节气体压力为1.5～3.5mpa；气体加热器的预热温度为300～800℃；在送粉器中放入平均粒径为15～50μm的喷涂粉末，控制送粉速率为50～250g/min；设置第一升降装置与第二升降旋转装置的上升、下降线速度为1～3mm/s；通过上述设置后的参数，来形成指定厚度的涂层；

步骤三：由中央控制系统控制冷喷涂装置开始喷涂：喷涂颗粒由冷喷涂喷枪喷向弹性装置，由于弹性片的高弹性将喷涂颗粒垂直于工件内壁进行弹射，从而形成涂层；

步骤四：第二升降旋转装置的升降杆由电机驱动带动弹性装置、磨削装置和齿轮组旋转；由齿轮组的旋转带动可旋转圆柱体沿着圆环导轨进行旋转，从而带动工件旋转；由于齿轮组的内外啮合使工件与弹性体、磨削砂轮产生转向相反的旋转；冷喷涂喷枪由第一升降装置带动做向上移动，弹性装置和磨削装置由第二升降装置带动向上移动；通过冷喷涂喷枪与弹性装置的同步移动逐步在工件内壁形成涂层，并在涂层形成后利用磨削装置进行磨削加工；

步骤五：完成喷涂和磨削作业后，中央控制系统控制冷喷涂装置停止喷涂，同时控制第一升降装置与第二升降旋转装置回到初始位置并停止电机旋转；拉动拉杆，松开夹具，取出工件。

本发明的有益效果：

1.本发明所述可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置，可用于微小孔径内壁的冷喷涂涂层沉积。冷喷涂颗粒由冷喷涂喷枪喷向弹性片，由于弹性片的高弹性可以将喷涂颗粒以一定角度和速度向工件内壁进行弹射，从而达到沉积条件。一方面避免了冷喷涂喷枪伸入孔内从而限制可加工孔径，利于对微小内孔进行喷涂；另一方面，受益于弹性片的高弹性喷涂颗粒的速度损失较小，利于颗粒达到沉积所需的临界条件，从而得到致密且结合强度高的涂层。

2.本发明所述可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置，采用角度可调的弹性装置，可针对不同颗粒形状选择合适的弹性片展角。无需针对不同颗粒，更换不同的弹性体，提高了装置的适用范围和柔性。

3.本发明所述可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置，采用可调半径的磨削装置，可针对不同内孔半径和涂层厚度进行磨削半径的调节，无需手动跟换不同半径的磨削砂轮。并且可在涂层沉积后立即对涂层进行磨削加工，有利于提升加工效率。

4.本发明所述可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置，采用一个电机驱动弹性装置、磨削装置和工件旋转，结构简单，有利于保证同轴度。工件与弹性装置、磨削装置的转向相反，从而提高了相对转速。一方面有利于颗粒的均匀沉积，另一方面有利于提高磨削效率。

5.本发明所述可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置，冷喷涂装置、升降装置、弹性装置、磨削装置和电机由中央控制系统进行统一控制，便于调节喷涂参数和控制启停，能有效减少工作人员的工作强度。

6.本发明装置旨在通过弹性装置的高弹性使冷喷涂颗粒在撞击弹性片后弹向微内孔内壁，从而实现微内孔内壁的涂层沉积，沉积后立即对涂层进行磨削加工，以此来实现喷涂-磨削的一体化。本装置不仅可以根据不同颗粒形状调节弹射角度，还可以调节合适的磨削半径对涂层进行磨削后处理。有利于在微内孔内壁形成光滑、致密且结合强度高的涂层，大大缩小了可喷涂内孔半径。

附图说明

图1为本发明的可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置的结构示意图1；

图2为本发明的可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置的结构示意图2；

图3为本发明的可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置的原理图；

图4为本发明的可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置的可变半径磨削装置。

图5为本发明的可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置的可变角度弹性装置；

图6为本发明的涉及到的弹性装置60°与45°时的主视图。

附图标记说明如下：

1-圆环导轨；2-齿轮组；3-磨削装置；301-磨削砂轮；302-第一气动伸缩装置；4-弹性装置；401-弹性片；402-硬质层；403-转轴；404-铰链机构；405-第二气动伸缩装置；5-可旋转圆柱体；6-拉杆；7-工件；8-冷喷涂喷枪；9-支撑架；10-第一升降装置；11-夹具；12-弹簧；13-涂层；14-支撑平面；15-工作台；16-第二升降旋转装置；17-送粉器；18-管路；19-气体加热器；20-气体控制器；21-储气罐；22-中央控制系统；23-电机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置，包括冷喷涂装置、弹性装置4、磨削装置3、固定夹紧装置、传动装置和中央控制系统；所述冷喷涂装置包括储气罐21、气体控制器20、送粉器17、管路18、气体加热器19和冷喷涂喷枪8；所述的弹性装置4包括弹性片401、硬质层402、转轴403、铰链机构404、第二气动伸缩装置405，转轴403为圆环结构；所述的磨削装置3包括4块1/4磨削砂轮301和第一气动伸缩装置302；所述的固定夹紧装置包括拉杆6、弹簧12、夹具11、支撑架9、支撑平面14；所述传动装置包括升降装置10、升降装置16、圆环导轨1、齿轮组2、可旋转圆柱体5和电机22；所述冷喷涂装置中的冷喷涂喷枪8固定在第一升降装置10，并对准弹性装置4轴线，由第一升降装置10带动做上下移动；所述弹性装置4固定在第二升降旋转装置16，由第二升降旋转装置16带动做上下移动和转动，并由中央控制系统21控制弹性片401展角α；所述磨削装置3固定在第二升降旋转装置16，由升降装置216带动做上下移动和转动，并由中央控制系统21控制磨削半径；所述齿轮组2固定在升降装置216，带动可旋转圆柱体5沿圆环导轨1旋转；所述升降装置110固定在支撑架9；所述第二升降旋转装置16固定在工作台15，并由电机22驱动升降轴旋转。

其中，气体控制器20控制储气罐21释放出高压气体，一部分气体通入气体加热器19进行预热，另一部分气体通入送粉器17携带喷涂颗粒，两相气体混合后携带粉末颗粒通过收敛-发散几何形状的冷喷涂喷枪8产生超音速气流后喷出；所述的储气罐21释放出的气体气压为1.5～3.5mpa；所述送粉器17中加入的粉末颗粒粒径为d，d＝15～50μm，适用的微内孔内径范围为10d～20d；送粉速率为50～250g/min；所述气体加热器19预热温度为300～800℃；颗粒经所述冷喷涂喷枪8加速后速度为300～1500m/s。

弹性装置4将喷涂颗粒反弹，从而在微内孔内壁形成涂层；所述弹性装置共有6片弹性片401，每片弹性片401装有铰链机构404，并通过气动伸缩装置2405驱动实现角度变换；角度变换范围为α，本例中α为30～60°，且在60°时形成一个完整圆锥体；角度减小时，由控制系统控制弹性片角度先后变换，形成交错堆叠；所述弹性装置安装一层硬质层402，喷涂颗粒在硬质层402形成沉积后，由于结合强度低，便于后续沉积层的清理。

磨削装置3与弹性装置4同轴线安装在第二升降旋转装置16上，并与弹性装置4同步上升、下降和旋转；所述气动伸缩装置1302控制磨削半径变换，以适应不同半径微内孔涂层加工要求；电机23集成在第二升降旋转装置16中，驱动伸缩轴转动；所述齿轮组2安装在伸缩轴上，随伸缩轴一起转动；所述可旋转圆柱体由齿轮组2带动沿圆环轨道1旋转，转向与电机23转向相反。

固定夹紧装置安装在可旋转圆柱体5；所述工件7放置在支撑平面14，由4个固定夹紧装置固定夹紧，并由可旋转圆柱体5带动旋转，转向与电机23转向相反；工件与弹性装置、磨削装置的转向相反，从而提高了相对转速；一方面有利于颗粒形成均匀沉积，另一方面有利于提高磨削效率。

结合附图1、2所示，为可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置的结构示意图。冷喷涂装置、弹性装置4、磨削装置3和传动装置由中央控制系统22进行统一控制，便于工作人员的管控，减小工作人员的劳动强度。

结合附图3所示，为可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置的原理图。冷喷涂颗粒由收敛-发散的冷喷涂喷枪8向弹性装置4发射，在与弹性片401撞击后向工件7内壁弹射。颗粒经弹射后的速度损失较小并且速度方向垂直于微内孔内壁，有利于颗粒与内壁产生塑性变形，从而实现颗粒的沉积。在进行喷涂作业的同时第二升降旋转装置16带动磨削装置3旋转和上升，对内孔涂层进行磨削处理，从而提升工作效率。在喷涂和磨削作业时，工件7、弹性装置4和磨削装置3由电机23带动做旋转运动。工件7的转向与磨削装置3和弹性装置4相反，一方面可使弹射后的喷涂颗粒形成更加均匀的沉积以此来提高涂层13的致密度和性能，另一方面变向提高了后续磨削装置3磨削时的转速从而提高磨削效率。

结合附图5所示，为本发明的可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置的可变角度弹性装置4，中央控制系统22控制第二气动伸缩装置405的伸缩长度并通过铰链机构404使弹性片401产生角度的变换。因此，可针对不同颗粒形状选择合适的弹性片401展角。如图6所示，为本发明的可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置的可变角度弹性装置60°与45°时的主视图。

结合附图4所示，为本发明的可变式加速型微内孔冷喷涂及磨削一体化装置的可变半径磨削装置3。中央控制系统22控制气动伸缩装置2302的伸缩长度来调整磨削半径，无需手动跟换不同半径的磨削砂轮。

该装置的工作方法包括如下步骤：

步骤一：拉动拉杆6使弹簧12收缩，将工件7放置在可旋转圆柱体5内的支撑平面14上。放松拉杆6，利用弹簧12弹力使夹具11内壁紧贴工件7外壁，实现工件7的固定夹紧。由中央控制系统21通过控制第一升降装置10和升降装置216使冷喷涂喷枪8与弹性装置4的距离为20～30mm且在作业时保持这个距离；初始位置时弹性装置4顶点与工件7下端水平，终止位置时磨削砂轮301下端与工件7上端水平。

步骤二：喷涂前，根据需要通过中央控制系统22调节参数；根据喷涂颗粒形状调节弹性装置4展角；根据工件7孔径10～20mm和涂层13厚度调节磨削装置3半径；由气体控制器20调节气体压力为1.5～3.5mpa；气体加热器19的预热温度为300～800℃；在送粉器17中放入平均粒径为15～50μm的喷涂粉末，控制送粉速率为50～250g/min；设置第一升降装置10与第二升降旋转装置16的上升、下降线速度为1～3mm/s。通过上述设置后的参数，来形成指定厚度的涂层13。

步骤三：由中央控制系统22控制冷喷涂装置开始喷涂；喷涂颗粒由冷喷涂喷枪8喷向弹性装置4，由于弹性片401的高弹性将喷涂颗粒垂直于工件7内壁进行弹射，从而形成涂层13；

步骤四：升降装置216的升降杆由电机23驱动带动弹性装置4、磨削装置3和齿轮组2旋转；由齿轮组2的旋转带动可旋转圆柱体5沿着圆环导轨1进行旋转，从而带动工件7旋转；由于齿轮组2的内外啮合使工件7与弹性体4、磨削砂轮3产生转向相反的旋转；冷喷涂喷枪8由第一升降装置10带动做向上移动，弹性装置4和磨削装置3由升降装置216带动向上移动。通过冷喷涂喷枪8与弹性装置4的同步移动逐步在工件7内壁形成涂层，并在涂层13形成后利用磨削装置3进行磨削加工；

步骤五：完成喷涂和磨削作业后，中央控制系统22控制冷喷涂装置停止喷涂，同时控制第一升降装置10与第二升降旋转装置16回到初始位置并停止电机23旋转。拉动拉杆6，松开夹具11，取出工件7。

加工完成一个工件后，重复上述5个步骤，从而实现多个工件的连续加工。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。